(57)【要約】【課題】  一定の耐圧を確保しながらアバランシェ耐量の大きな半導体装置を提供する。【解決手段】  ｐｎ接合の一方の側にはｐ型半導体領域１１が形成されており、他方の側にはｎ型半導体領域１２が形成されている。ｎ型半導体領域１２は、ｎ- 半導体領域１２ａ、ｎバッファ領域１２ｂ、ｎ+ 半導体領域１２ｃから構成される。ｎ- 半導体領域１２ａには、その不純物濃度がｎバッファ領域１２ｂの不純物濃度から連続的に低下する濃度傾斜領域１３が形成されている。濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌは、半導体装置１が必要とするアバランシェ耐量および耐圧の双方を満たすように決定される。【選択図】      図１
2006245294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の第１の半導体領域および第２の導電型の第２の半導体領域を互いに接合することにより構成されるｐｎ接合を含む半導体装置であって、
前記第２の半導体領域は、
前記ｐｎ接合に接して形成される低不純物濃度領域と、
前記低不純物濃度領域よりも高い不純物濃度でその低不純物濃度領域と接して形成されるバッファ領域と、
前記バッファ領域よりも高い不純物濃度でそのバッファ領域に接して形成される高不純物濃度領域、を含んで構成され、
前記低不純物濃度領域は、前記バッファ領域との界面から前記ｐｎ接合に向かって不純物濃度が前記バッファ領域の不純物濃度から連続的に低下していく濃度傾斜領域を有し、
前記濃度傾斜領域の幅は、前記バッファ領域の厚さよりも大きく、且つ前記低不純物濃度領域の厚さよりも小さい
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記濃度傾斜領域の幅の最大値は、当該半導体装置が必要とする耐圧に基づいて決められる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記濃度傾斜領域の幅の最小値は、当該半導体装置が必要とするアバランシェ耐量に基づいて決められる
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アバランシェ耐量を大きくした半導体装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
ダイオードやトランジスタ等の半導体装置のアバランシェ降伏は、一般に、半導体領域内で局所的に電界強度が強い部分が発生したときに起こり得る。例えば、スイッチとして動作する半導体装置において、そのターンオフ時には、ｐｎ接合近傍の半導体領域のキャリア濃度は直ちに減少せずに、そのｐｎ接合から空乏層が広がっていく。ここで、空乏層は、不純物濃度の低い領域で広がりやすい。そして、空乏層が広がり続けている期間は、その半導体装置は電流を流し続ける。しかし、空乏層は、高不純物濃度領域に達すると、実質的にそれ以上広がることができず、電流が急激に減少することとなる。このとき、仮にこの半導体装置に誘導性負荷が接続されているものとすると、この電流の急激な減少に伴う逆起電力によって半導体領域内で電界強度が強い部分が発生し、アバランシェ降伏を引き起こすことになる。
【０００３】
このように、アバランシェ降伏は、半導体装置のターンオフ時に空乏層の広がりが停止して電流が急激に減少することをひとつの原因として発生する。そして、この電流の急激な減少は、半導体装置のターンオフ時に低不純物濃度領域において広がっていく空乏層が高不純物濃度領域に達したときに発生する。すなわち、不純物濃度が大きく異なる領域が互いに接触して形成されている場合に、この問題が生じることとなる。
【０００４】
図７は、上記問題を解決するための構成を導入した半導体装置の一例の断面図である。なお、ここでは、半導体装置の一例として、ｐ型半導体領域１０１とｎ型半導体領域１０２が接合されたダイオード１００を示している。
【０００５】
ｎ型半導体領域１０２は、図７に示すように、ｎ- 半導体領域１０２ａとｎ+ 半導体領域１０２ｃとの間にｎバッファ領域１０２ｂが形成されている。ここで、ｎバッファ領域１０２ｂの不純物濃度は、ｎ- 半導体領域１０２ａよりも高く、且つｎ+ 半導体領域１０２ｃよりも低い。すなわち、ｎ型半導体領域１０２の不純物濃度は、ｎバッファ領域１０２ｂを設けたことにより、ｎ- 半導体領域１０２ａからｎ+ 半導体領域１０２ｃへ急激に変化することを回避している。これにより、ターンオフ時の電流の急激な減少を防止し、アバランシェ降伏を起こりにくくしている。なお、ｎバッファ領域１０２ｂを設けた半導体装置は、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、その不純物濃度が図７に示すｎ- 半導体領域１０２ａとｎ+ 半導体領域１０２ｃとの間で連続的に変化するように形成されたｎバッファ領域１０２ｂ（傾斜分布領域）を備える半導体装置が記載されている。
【特許文献１】特開平４−３１２９８１号公報（図１０、図２３）
【特許文献２】特開平１１−４０８０８号公報（図１、図２、明細書の段落００３１〜００３６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の構成では、バッファ領域１０２ｂを備えていない構成と比べれば、アバランシェ耐量は大きくなる。しかし、バッファ領域１０２ｂを設けても、ｎ- 半導体領域１０２ａとバッファ領域１０２ｂとの不純物濃度の差は必ずしも小さいとはいえず、その界面における電界変化率はある程度大きくなってしまう。このため、アバランシェ耐量が十分に大きいとはいえない。
【０００８】
また、特許文献２に記載の構成では、傾斜分布領域を設けたことにより電界変化率の問題は解決されるが、半導体装置の耐圧が考慮されていない。
本発明は、上述の課題を解決するものであり、一定の耐圧を確保しながらアバランシェ耐量の大きな半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の半導体装置は、第１の導電型の第１の半導体領域および第２の導電型の第２の半導体領域を互いに接合することにより構成されるｐｎ接合を含む。前記第２の半導体領域は、前記ｐｎ接合に接して形成される低不純物濃度領域と、前記低不純物濃度領域よりも高い不純物濃度でその低不純物濃度領域と接して形成されるバッファ領域と、前記バッファ領域よりも高い不純物濃度でそのバッファ領域に接して形成される高不純物濃度領域、を含んで構成される。前記低不純物濃度領域は、前記バッファ領域との界面から前記ｐｎ接合に向かって不純物濃度が前記バッファ領域の不純物濃度から連続的に低下していく濃度傾斜領域を有する。前記濃度傾斜領域の幅は、前記バッファ領域の厚さよりも大きく、且つ前記低不純物濃度領域の厚さよりも小さい。
【００１０】
上記半導体装置によれば、低不純物濃度領域とバッファ領域との間で不純物濃度が連続的に変化する。このため、上記ｐｎ接合に逆電圧が印加されたときに低不純物濃度領域またはバッファ領域において電界の変化率が大きくなることはない。よって、アバランシェ耐量が大きくなる。
【００１１】
上記半導体装置において、濃度傾斜領域の幅の最大値は、当該半導体装置が必要とする耐圧に基づいて決められるようにしてもよい。このような構成とすれば、必要な耐圧を確保しながら、アバランシェ耐量を大きくできる。
【００１２】
また、濃度傾斜領域の幅の最小値は、当該半導体装置が必要とするアバランシェ耐量に基づいて決められるようにしてもよい。このような構成とすれば、濃度傾斜領域に形状によってアバランシェ耐量を制御できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、所望の耐圧を確保しながらアバランシェ耐量の大きな半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の実施形態の半導体装置の断面およびその不純物濃度分布を示す図である。なお、図１では、半導体装置１が備えるｐｎ接合２の両側に形成されているｐ型半導体領域１１とｎ型半導体領域１２のみが描かれている。ここで、半導体装置１がダイオードであるものとすると、ｐ型半導体領域１１およびｎ型半導体領域１２は、それぞれアノード領域およびカソード領域である。また、半導体装置１がトランジスタであるものとすると、ｐ型半導体領域１１およびｎ型半導体領域１２は、それぞれ、例えば、コレクタ領域およびベース領域に相当する。
【００１５】
ｐ型半導体領域（第１の導電型の第１の半導体領域）１１は、ｐ型の不純物が高濃度で注入された半導体領域である。一方、ｎ型半導体領域（第２の導電型の第２の半導体領域）１２は、ｎ- 半導体領域（低不純物濃度領域）１２ａ、ｎバッファ領域１２ｂ、ｎ+ 半導体領域（高不純物濃度領域）１２ｃから構成される。
【００１６】
ｎ- 半導体領域１２ａは、ｐ型半導体領域１１とｎ型半導体領域１２との間のｐｎ接合２に接して形成されており、その厚さＷ２は、例えば、数１０μｍである。また、ｎ- 半導体領域１２ａは、ｎ型の不純物を低濃度（例えば、１０14／ｃｍ3 程度）に含んで構成されている。
【００１７】
バッファ領域１２ｂは、ｎ- 半導体領域１２ａに接して形成されており、その厚さＷ１は、例えば、１０μｍ程度である。また、バッファ領域１２ｂの不純物濃度は、ｎ- 半導体領域１２ａよりも高い（例えば、１０15／ｃｍ3 程度）。なお、ｎ- 半導体領域１２ａおよびバッファ領域１２ｂは、半導体装置１のオン抵抗を小さくするためには、必要な耐圧を確保できる範囲内で、可能な限り薄く形成することが望ましい。
【００１８】
ｎ+ 半導体領域１２ｃは、バッファ領域１２ｂに接して形成されている。即ち、ｎ- 半導体領域１２ａとｎ+ 半導体領域１２ｃとの間にバッファ領域１２ｂが形成されている。また、ｎ+ 半導体領域１２ｃは、ｎ型の不純物を高濃度（例えば、１０16／ｃｍ3 程度以上）に含んで構成されている。
【００１９】
ｎ- 半導体領域１２ａの不純物濃度は、ｎバッファ領域１２ｂとの界面では、ｎバッファ領域１２ｂの不純物濃度と同じであり、その界面からｐｎ接合２に向かって連続的に低下していく。なお、以下では、ｎ- 半導体領域１２ａにおいてその不純物濃度がｎバッファ領域１２ｂの不純物濃度から連続的に低下していく領域のことを「濃度傾斜領域１３」と呼ぶことにする。また、ｎバッファ領域１２ｂからｐｎ接合２に向かう方向における濃度傾斜領域１３の幅を「傾斜幅Ｌ」と呼ぶことにする。
【００２０】
実施形態の半導体装置１においては、ｎ- 半導体領域１２ａおよびバッファ領域１２ｂは、条件「Ｗ１＜Ｌ＜Ｗ２」を満たすように形成される。以下、傾斜幅Ｌを変化させたときの半導体装置１の特性のシミュレーション結果を示す。
【００２１】
図２は、図１に示す半導体装置１のｐｎ接合２に逆電圧が印加されたときの半導体領域内の電界についてのシミュレーション結果である。
生成される電界は、図２に示すように、ｐｎ接合２の近傍で最大となる。ここで、ｎ- 半導体領域１２ａにおいて濃度傾斜領域１３が形成されていないものとすると（即ち、傾斜幅Ｌ＝０）、ｎ- 半導体領域１２ａ内の不純物濃度が均一であるので、電界は、ｐｎ接合２からの距離に比例して低下していく。そして、ｎバッファ領域１２ｂにおいては、ｎ- 半導体領域１２ａと比べて不純物濃度が高いので、電界は急激に低下する。
【００２２】
なお、不純物濃度の異なる領域を互いに接合させた場合、高濃度領域から低濃度領域へ不純物が拡散していくので、「傾斜幅Ｌ＝０」は、現実的にはありえない状態である。すなわち、例えば、濃度傾斜領域１３を形成しない一般的な製造方法でｎ- 半導体領域１２ａおよびｎバッファ領域１２ｂを形成すると、傾斜幅Ｌは数μｍとなる。したがって、特許文献１に記載の半導体装置の特性は、概ね「傾斜幅Ｌ＝０．５×Ｗ１」に相当することとなる。
【００２３】
濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌを大きくしていくと、電界は、ｎバッファ領域１２ｂから遠い位置から低下し始める。図２では、Ｌ＝０．５×Ｗ１（５μｍ）、Ｗ１（１０μｍ）、２×Ｗ１（２０μｍ）、３×Ｗ１（３０μｍ）、４×Ｗ１（μｍ）について示されている。このとき、濃度傾斜領域１３の不純物濃度がｎバッファ領域１２ｂとの界面からの距離に比例して低下していくものとすると、電界強度を表すカーブは、濃度傾斜領域１３の開始位置を頂点とする放物線となる。このとき、この放物線の特性は、濃度傾斜領域１３の濃度分布の傾きに依存する。
【００２４】
図３および図４は、図２に示す電界の変化率および電界変化率の傾きについてのシミュレーション結果である。
傾斜幅Ｌがバッファ領域１２ｂの厚さＷ１以下である場合（Ｌ＝０、０．５×Ｗ１、Ｗ１の場合）は、図３に示すように、電界変化率はさほど変わらない。これに対して、傾斜幅Ｌがバッファ領域１２ｂの厚さＷ１を超えて大きくなると、電界変化率は急激に減少していく。図３に示す例では、「Ｌ＝４×Ｗ１」の場合の電界変化率は、傾斜幅Ｌがバッファ領域１２ｂの厚さＷ１以下である場合と比べて、半分程度になっている。
【００２５】
ところで、アバランシェ降伏は、例えば、半導体装置１のターンオフ時に電流の急激な減少に伴う逆起電力等によって引き起こされる。そして、この電流の減少は、半導体領域内の電界変化率が大きいほど急激になる。すなわち、半導体領域内の電界変化率が大きいほどアバランシェ降伏が起こりやすくなる（アバランシェ耐量が小さくなる）。したがって、半導体装置１のアバランシェ耐量は、濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌが大きくなるにつれて、大きくなる。
【００２６】
実験により得られたアバランシェ耐量についてのデータを図５に示す。図５に示すように、傾斜幅Ｌ＝１０μｍ（バッファ領域１２ｂの厚さＷ１と同程度）の場合のアバランシェ耐量は、傾斜幅Ｌ＝５μｍ（バッファ領域１２ｂの厚さＷ１の二分の一に相当する）のときと比べて、約１０倍程度になっている。よって、傾斜幅Ｌをバッファ領域１２ｂの厚さＷ１よりも大きくすれば、濃度傾斜領域１３を形成しない一般的な製造方法でｎ半導体領域１２ａおよびｎバッファ領域１２ｂを形成した場合と比較して、１０倍以上のアバランシェ耐量が得られることになる。
【００２７】
半導体装置１のアバランシェ耐量として所定の値を確保したい場合には、濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌをその所定値に対応する値よりも大きく設計すればよい。換言すれば、この場合、濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌの最小値は、半導体装置１が必要とするアバランシェ耐量に基づいて決められることになる。
【００２８】
図６は、半導体装置１の耐圧と濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌとの関係を示す図である。半導体装置１の耐圧は、空乏層の広がりやすさに依存するので、ｎ- 半導体領域１２ａの不純物濃度が低いほど高くなる。したがって、濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌが大きくなると、その分だけｎ- 半導体領域１２ａの不純物濃度が高くなるので、半導体装置１の耐圧は低下していく。すなわち、半導体装置１の耐圧として所定の値を確保したい場合には、濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌをその所定値に対応する値よりも小さく設計する必要がある。換言すれば、この場合、濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌの最大値は、半導体装置１が必要とする耐圧に基づいて決められることになる。
【００２９】
このように、実施形態の半導体装置１は、ｎ- 半導体領域１２ａに濃度傾斜領域１３を形成することでアバランシェ耐量を大きくしている。そして、その濃度傾斜領域１３の傾斜幅Ｌは、例えば、半導体装置１が必要とするアバランシェ耐量に対応する値よりも大きく、且つ、半導体装置１が必要とする耐圧に対応する値よりも小さく設計される。これにより、所望のアバランシェ耐量および耐圧の双方を満足する半導体装置を提供できる。
【００３０】
なお、濃度傾斜領域１３の製造方法は、公知の技術により実現可能である。すなわち、例えば、ｎ- 半導体領域１２ａの濃度傾斜領域１３は、ｎバッファ領域１２ｂの上面に、同じ膜厚で不純物濃度が順番に所定量だけ低下していく複数のｎエピタキシャル層を形成することにより得られる。このとき、各ｎエピタキシャル層の不純物濃度は、たとえば、オートドーププロセスにおいて不純物を強制廃棄する量を調整することにより十分に正確に制御できる。
【００３１】
また、本発明は、各半導体領域の導電型（ｐ型半導体領域、ｎ型半導体領域）をそれぞれ入れ替えた構成にも適用される。
さらに、図１に示す例では、濃度傾斜領域１３の不純物濃度は、ｎバッファ領域１２ｂからの距離に比例して変化率が一定に低下しているが、本発明はこれに限定されるものではない。変化率は、正負が逆転しない限り不定でもよい。また、連続的に低下することに限定されるものではなく、ステップ的（不連続）に低下していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態の半導体装置の断面およびその不純物濃度分布を示す図である。
【図２】ｐｎ接合に逆電圧が印加されたときの半導体領域内の電界についてのシミュレーション結果である。
【図３】電界変化率についてのシミュレーション結果である。
【図４】電界変化率の傾きについてのシミュレーション結果である。
【図５】アバランシェ耐量の実験値を示す図である。
【図６】半導体装置の耐圧と濃度傾斜領域の傾斜幅との関係を示す図である。
【図７】バッファ領域を有する公知の半導体装置の一例の断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      半導体装置
２      ｐｎ接合
１１    ｐ型半導体領域
１２    ｎ型半導体領域
１２ａ  ｎ- 半導体領域
１２ｂ  ｎバッファ領域
１２ｃ  ｎ+ 半導体領域
１３    濃度傾斜領域
【図１】
2006245294.tif 000003
【図２】
2006245294.tif 000004
【図３】
2006245294.tif 000005
【図４】
2006245294.tif 000006
【図５】
2006245294.tif 000007
【図６】
2006245294.tif 000008
【図７】
2006245294.tif 000009